Выбор технических характеристик беспилотных летательных систем для решения задач картографирования

Аннотация

В статье описаны все важные технические характеристики моделей беспилотных летательных аппаратов их влияние на получаемый результат, приведены расчеты производительности и нормативные документы, описаны критерии выбора БПЛА для решения определенных картографических задач.

Классификация БПЛА

Типы БПЛА	Подтипы	Схема
Самолётный	Летающее крыло, Фюзеляжные
Мультироторный	4-х, 6-ти, 8-ти роторные
Вертолётный

При выборе беспилотных систем для решения задач картографирования важным является понимание различий в конструкторских и технических решениях разных как типов так и моделей БПЛА. В обзоре будут рассмотрены характеристики БПЛА самолетного типа (модели только с возможностью свободного старта и приземления, без необходимости аэродромного базирования); мультироторов и вертолетов. Вне зависимости от типов и моделей, основными характеристиками аппаратов являются размер, вес и форма. Именно эти параметры определяют способ старта, посадки, грузоподъемность и, самое главное, поведение борта в процессе полета и съемки.

Вес аппаратов

Масса пустого борта и максимальная взлетная масса показывают, какую аппаратную часть можно использовать для выполнения аэрофотосъемки. Чем больше взлетная масса, тем более точное оборудование можно использовать для получения качественного результата. От веса аппарата зависит сила колебаний БПЛА потоками воздуха, поэтому чем тяжелее борт, тем стабильнее траектория движения и тем стабильнее геометрия изображения.

Размеры и форма аппаратов

От длины и размаха крыла зависят аэродинамические свойства БПЛА. По форме БПЛА самолетного типа делятся на летающее крыло и фюзеляжные. Преимущества фюзеляжного типа - возможность нести больше полезной нагрузки и более стабильно выполнять съемку, т.к. вес именно таких бортов, как правило, больше. Минусом такого типа БПЛА является сложность конструкции, что повышает требования к правилам эксплуатации и стоимость ремонта. Плюсы типа летающего крыла в простоте конструкции и эксплуатации. Минусы - небольшие размеры и вес, не позволяющие нести дополнительную полезную нагрузку.

фюзеляжный

летающее крыло

Для мультиротов важной характеристикой является количество винтов. Считалось, что количество винтов влияет на стабильность полета, так коптеры с 8-ю винтами летали гораздо стабильнее 4-х и 6-ти винтовых, но на сегодняшний день, благодаря развитию алгоритмов полета, все коптеры летают одинаково стабильно, даже в случае отказа одного винта.

4 винта

6 винтов

8 винтов

Двигатели

Большинство моделей БПЛА используют электродвигатели. Характеристики двигателя отвечают за максимальную дальность и время полета. Электродвигатели питаются от аккумуляторных батарей различного типа и зависят от размеров БПЛА. Компактные модели могут провести в воздухе 40 минут, большие модели- до 4 часов, преодолевая расстояние до 300 км. Некоторые модели используют двигатель внутреннего сгорания. Как правило, это тяжелые модели (от 20 килограмм), длительность полета которых достигает 10 часов, что позволяет им преодолевать до 1000 км. Для бензиновых двигателей используется смесь бензина Аи-92,95 с синтетическим маслом для двухтактных двигателей. Расход топлива составляет примерно 0,5 л/ч в режиме горизонтального полета. Объем штатного топливного бака - 5 л. Для съемки крупных площадных объектов рентабельно использовать именно модели с двигателями внутреннего сгорания.

Пример результата: ортофотоплан, ЦФС PHOTOMOD, Заокский геополигон МИИГАиК, 36,5 кв.км., БПЛА Птеро-Е4 2011г., камера Canon EOS 5D Mark 2, 653 снимка,13 см/пиксель

Высота полёта

Высота съемки влияет на размер пикселя и количество изображений. Российское законодательство не ограничивает варианты полётных заданий, в отличие от большинства европейских стран, где есть жесткое регулирование использования воздушного пространства до 100 м. С особенностями регулирования полетов можно ознакомиться в докладе Валиева Амира Вильевича, генерального директора компании «АФМ-Серверс» на кадастровой конференции Гис-Ассоциации за 2012 год. Максимальный практический потолок полета аппаратов актуален для российских пространств, т.к. корректируя высоту съемки, можно изменять значения размера пикселя и количество изображений.

Скорость

Максимальная и крейсерская скорость влияют на возможность использования БПЛА в ветреную погоду и на производительность съемки. Средняя крейсерская скорость небольших моделей (летающих крыльев) составляет около 50 - 60 км/ч, скорость более крупных моделей составляет около 100 км/ч. Ограничения использования БПЛА по скорости ветра при старте и посадке в среднем составляют около 10 м/с. Предугадать скорость и порывы ветра на высоте полета, как правило, сложно. Они влияют на геометрию съемки и выдерживание перекрытий, а так же на качество изображений, например, смаз.

Взлёт и посадка

БПЛА классифицируются по способу старта и посадки. Основные способы старта: с рук и с катапульты. Основные способы посадки: с парашютом и на корпус.

Старт с рук

летающее крыло

В отличие от пилотируемых самолетов и вертолетов, беспилотные системы не требуют аэродромного базирования, выполнение летного задания осуществляется в автоматическом режиме, они безопасны для экипажа.

Посадка с парашютом

Посадка на корпус

В последнее время практически все модели БПЛА имеют автоматический режим работы, начиная от старта до полного завершения задания и посадки. Для некоторых моделей существует возможность ручного управления через наземную станцию и полуавтоматического управления (возможность корректировать маршрут, высоту и точку посадки во время выполнения задания).

Автопилот

Автопилот является «мозгом» БПЛА. До недавнего времени, в большинстве случаев использовались простейшие автопилоты, предназначенные для любительских авиамоделей, что не удовлетворяет требованиям при аэрофотосъемке. На данный момент большинство разработчиков БПЛА работают над разработкой собственных автопилотов, отвечающих запросам аэрофотосъемки.

Пример результатов: тепловизионная съемка, ЦФС PHOTOMOD, БПЛА Птеро-Е5 2013г., тепловизор, 88 снимков, 20 см/пиксель

Съёмочное оборудование

Большинство БПЛА это небольшие по размерам и грузоподъемности аппараты. В связи с этим для аэрофотосъемки часто используются камеры класса «мыльница». На модели с большой грузоподъемностью устанавливают зеркальные полноформатные фотокамеры, такие как Canon (EOS) или Nikon (D800). Важным в процессе аэросъемки выступает работа затворов камер, для выполнения картографо-геодезических работ рекомендовано использовать камеры с центральным или электронным затвором.

«мыльница»

зеркальная камера

промышленная камера

Некоторые модели БПЛА оборудуют профессиональными аэрокамерами, созданными специально для использования на БПЛА, такой как Phase One. Данная камера обеспечивает нужное качество изображений, но имеет высокую стоимость (35-45 000 Евро) и весит 2,9 кг. Размер матрицы и производительность камеры влияют на количество снимков и, следовательно, на время, необходимое на постобработку. Пример производительности некоторых камер представлен в таблице:

Производительность бытовых камер при аэросъемке БПЛА

Параметры	Nikon D800	Ricoh GR	Canon IXUS	Sony RX1	Sony NEX5	Canon_EOS 5D mark2	Phase One IXU 150
Площадь (кв. км.)	30
Ширина кадра (пикс.)	4912	2736	3000	4000	3264	3744	6208
Длина кадра (пикс.)	7360	3168	4000	6000	4912	5616	8280
МПикс.	36	9	12	24	16	21	51
Физ. размер пикселя (мкм)	5,0	2,0	1,5	6,0	4,9	6,5	5,3
GSD, cм	5
Площадь кадра (кв. км.)	0,09	0,02	0,03	0,06	0,04	0,05	0,13
Продольное перекрытие (%)	80
Поперечное перекрытие (%)	60
Фокусное расстояние (мм)	50	6	4	35	16	50	55
Интервал фотографирования (с)	0,6	0,6	0,6	1	1	0,8	0,8
Количество фотографий	4149	17306	12500	6250	9356	7134	2918
Время съемки (час)	0,7	2,9	2,1	1,7	2,6	1,6	0,6
Высота съемки (м)	500	150	133	292	163	385	519

Навигационное оборудование

Для навигации БПЛА используются дешевые одночастотные приборы GPS/IMU (Global Positioning System/Inertial Measurement Unit). Так же их используют для элементов внешнего ориентирования снимков. В последнее время некоторые разработчики используют двухчастотные GPS приемники и уравнивают их измерения с данными от базовых GNSS станций. Т.к. большинство моделей БПЛА не имеют возможности использовать стабилизирующие платформы для камер из-за недостаточной грузоподъемности, рекомендовано использовать точные инерциальные системы INS, которые позволят определять элементы ориентирования съемки с удовлетворительной точностью. Для связи с БПЛА во время полета используются радиоканалы. Частоты таких каналов варьируют от 433 МГц до 2,4 ГГц. Связь необходима для контроля оператором выполнения задания в режиме реального времени и корректировки задания. Иногда с помощью радиоканала передают видео и фотоматериалы, полученные во время съемки.

Эксплуатационные ограничения

Использование БПЛА имеет широкую географию. Температурный диапазон эксплуатации (от -30°C до +50°C), позволяет использовать БПЛА в различных климатических зонах. Единственным эксплуатационным ограничением у производителей, призванный обеспечить бережную эксплуатацию, является скорость ветра на старте и посадке. В среднем, она варьирует от 4 до 15 м/с в зависимости от типа и веса аппарата.

Пример результатов: цифровая модель рельефа, ЦФС PHOTOMOD, Казань, карьер, БПЛА ZALA 421F 2013г., камера Canon EOS 550D, 71 снимок, 5 см/пиксель

Дополнительная нагрузка

Помимо фотокамер на борт БПЛА могут быть установлены различные иные приборы, такие например как тепловизор, лазерный сканер, видеокамера. Используя эти приборы можно решать производственные задачи, связанные с мониторингом и технической диагностикой объектов.

Гарантия и страхование

Как правило, гарантия на все модели БПЛА составляет 12 месяцев. При этом в последнее время появилась возможность страховать БПЛА как полноценный геодезический инструмент.

Лицензирование и сертификация

В данный момент вопрос государственной сертификации БПЛА как инструмента для проведения инженерно-геодезических и картографических работ не решен. Помимо сертификации самого аппарата, необходима сертификация эксплуатирующих организаций. Для габаритных БПЛА бригада обслуживания должна состоять как минимум из оператора и техника. Для маленьких моделей достаточно одного человека. Сертификацию на данный момент проводят непосредственно фирмы разработчики. Без получения сертификата, эксплуатация БПЛА для выполнения инженерно-геодезических и картографических работ производителями не рекомендована.

Пример результатов: цифровая модель местности, ЦФС PHOTOMOD, Кемерово, карьер, БПЛА Птеро-Е5 2013г., камера Nikon D 800, 413 снимков, 8 см/пиксель

Основные критерии выбора БПЛА

Основные критерии выбора можно определить исходя из вида работ. Т.к. рассматриваются модели для высокоточных измерений, то материал должен соответствовать действующей нормативной документации для фотограмметрических, геодезических и землеустроительных работ. Согласно ГКИНП (ГНТА)-02-036-02 инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов, картографическим материалом считается плановая съемка до 3˚ от надира, удовлетворяющая установленным признакам дешифрирования в зависимости от масштаба. В данный момент специальной документации по контролю качества материалов, получаемых с БПЛА, не создано, таким образом необходимо учитывать действующие инструкции по фотограмметрическим работам. Подобным требованиям к съемке отвечают модели с достаточным весом или стабилизирующей платформой. В следующей таблице приведены требования к точности и методам определения характерных точек границ земельного участка, а также характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке, используемых в землеустройстве.

Приказ Министерства экономического развития Российской Федерации от 17 августа 2012г. N 518 г. Москва

п/п	Категория земель	Средняя квадратическая ошибка местоположения характерных точек, не более, м
1	Земли населенных пунктов	0,10
2	Земельные участки, предоставленные для ведения личного подсобного хозяйства, садоводства, огородничества, индивидуального гаражного или индивидуального жилищного строительства на землях населенных пунктов и землях сельскохозяйственного назначения	0,20
3	Земли сельскохозяйственного назначения	2,50
4	Земли промышленности, энергетики, транспорта, связи, радиовещания, телевидения, информатики, земли обеспечения космической деятельности, земли обороны, безопасности и иного специального назначения	0,50
5	Земли особо охраняемых природных территорий и объектов	2,50
6	Земли лесного фонда, земли водного фонда, земли запаса	5,00

Для получения необходимого качества и геометрии съемки населенных пунктов и промышленных объектов необходимы модели БПЛА с размером и весом, позволяющим использовать высокоточные приборы (GPS/INS) и камеры с большой матрицей и центральным затвором. Очень важно, чтобы алгоритмы автопилота моделей были адаптированы под съемку со строго заданными параметрами. Для решения таксационных или мониторинговых задач сельскохозяйственных земель или земель лесного, водного фонда можно использовать модели меньшего веса и размера и пренебречь более точными приборами, однако возникает вопрос производительности, т.к. подобные категории земель занимают большие территории. Здесь важно, чтобы модели БПЛА имели высокую устойчивость к погодным условиям.